2021年灰鑄鐵鑄件生產(chǎn)技術(shù) 灰鑄鐵組織 灰鑄鐵組織

1、職業(yè)教育材料成型與控制技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫(kù) 灰鑄鐵鑄件生產(chǎn)技術(shù)課程云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 周利平 陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 韓小峰 7灰鑄鐵的組織灰鑄鐵的金相組織主要由基體組織和片狀石墨組成，除此以外，還有少量氧化物、碳化物、磷化物、硫化物等夾雜物。一、灰鑄鐵中的石墨組織灰鑄鐵結(jié)晶時(shí)，由于冷卻速度和硅元素的影響發(fā)生了石墨化現(xiàn)象，灰鑄鐵中大量的碳以石墨的形式存在。石墨本身有兩個(gè)顯著特點(diǎn)一是密度?。s為25g/cm3），其在鑄鐵中占有的體積較大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為3%的石墨在鑄鐵中占到1%的體積；二是石墨硬度、強(qiáng)度很低，而且較脆。因而，片狀石墨在灰鑄鐵中存在，不僅減少了基體組織的有效承載面積，而且相當(dāng)于許多裂口

2、一樣，對(duì)金屬基體起到割裂作用。同時(shí)，由于引起應(yīng)力集中，致使金屬集體的力學(xué)性能不能充分發(fā)揮，從而使灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度較低，塑性幾乎為零?；诣T鐵中石墨的形狀、分布、大小和數(shù)量對(duì)灰鑄鐵的性能產(chǎn)生了決定性的作用。 石墨形態(tài)灰鑄鐵中的石墨以片狀為主，同時(shí)存在少量蠕蟲狀、團(tuán)蟲狀、團(tuán)塊狀和球狀石墨等。圖2-1是灰鑄鐵放大1倍時(shí)的金相組織。如果將通過深度腐蝕后觀察石墨的立體形態(tài)，就會(huì)看到各共晶團(tuán)內(nèi)的石墨是一簇簇的，由同一核心組成，呈花朵狀，如圖1所示。圖1 灰鑄鐵的金相組織（1） 圖2 石墨的形態(tài) 片狀石墨的分布gb/t 7216-29灰鑄鐵金相檢驗(yàn)規(guī)定將片狀石墨的分布形態(tài)分為六種，如圖3所示。（c）（a）（b

3、）（c）（a）（b）（d）（e）（f）圖3 片狀石墨的分布類型（a）a型； （b）b型； （c）c型； （d）d型； （e）e型； （f）f型片狀石墨的六種分布形式的特征、形成條件及其對(duì)灰鑄鐵力學(xué)性能的影響見表1。其中a型和d型石墨的掃描電鏡照片如圖4所示。表1 片狀石墨的六種分布形狀分布形式代號(hào)特征形成條件對(duì)鑄鐵力學(xué)性能的影響細(xì)片狀a片狀石墨呈無方向均勻分布接近共晶的亞共晶成分，砂型鑄造，冷卻速度不大時(shí)在六種分布形式中，a型石墨是灰鑄鐵中經(jīng)常出現(xiàn)的一種，而且使鑄鐵具有比較好的力學(xué)性能菊花狀b片狀及細(xì)小卷曲的片狀石墨聚集成菊花狀分布接近共晶的亞共晶成分，冷卻速度較a型大，核條件較a型石墨差其力

4、學(xué)性能較a型差塊片狀c初生的粗大直片狀石墨，相當(dāng)于a型石墨中分布有粗大的塊狀，且無方向性多出現(xiàn)在具有過共晶成分的鑄鐵中，特別是鑄件厚大，冷卻速度較慢時(shí)易出現(xiàn)由于石墨粗大，其力學(xué)性能急劇下降枝晶點(diǎn)狀d細(xì)小卷曲的片狀石墨在枝晶間呈無方向分布多出現(xiàn)在冷卻速度較大，碳、硅含量較低的亞共晶灰鑄鐵中常出現(xiàn)在含碳量較低的高牌號(hào)、薄壁鑄件中，性能較e型石墨好枝晶片狀e片狀石墨在枝晶二次分枝間呈方向性分布多出現(xiàn)在遠(yuǎn)離共晶點(diǎn)的亞共晶成分中，但冷卻速度較d型小由于晶間石墨分布有方向性，力學(xué)性能較差星狀f初生的星狀（或蜘蛛狀）石墨，相當(dāng)于粗大的c型石墨上生長(zhǎng)著許多小片狀石墨，均勻無方向性經(jīng)常出現(xiàn)在過共晶成分的高碳鑄鐵

5、中，冷卻速度較c型大的薄壁鑄件中使鑄件力學(xué)性能降低從表中可見，相同條件下，片狀石墨的六種分布形式中以細(xì)小的a型石墨出現(xiàn)時(shí)，灰鑄鐵的性能較好。（a） （b）圖4 a型和d型石墨的掃描電鏡照片（a） a型石墨；（b） d型石墨 片狀石墨的長(zhǎng)度灰鑄鐵中石墨越長(zhǎng)，即石墨片越粗大，力學(xué)性能越差。根據(jù)gb/t 7216-29的規(guī)定，石墨長(zhǎng)度在放大1倍的金相顯微鏡下進(jìn)行檢驗(yàn)，共分為八級(jí)，見表2。檢驗(yàn)時(shí)可對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)圖冊(cè)進(jìn)行評(píng)定。表2 石墨長(zhǎng)度分級(jí)（1倍）級(jí) 別12345678名 稱石長(zhǎng)1石長(zhǎng)75石長(zhǎng)38石長(zhǎng)18石長(zhǎng)9石長(zhǎng)5石長(zhǎng)5石長(zhǎng)5石墨長(zhǎng)度/mm151255122561236535石墨數(shù)量在基體組織、石墨大小

6、及其分布相同的情況下，石墨數(shù)量增加，減小了鑄件有效承載面積，使力學(xué)性能下降。因此，越是高牌號(hào)灰鑄鐵，要求石墨數(shù)量越少。由于石墨數(shù)量是指石墨片在金相照片上所占的面積分?jǐn)?shù)，目前尚無統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。二、灰鑄鐵的基體組織灰鑄鐵的鑄態(tài)組織基體組織一般有鐵素體（f）、珠光體（p）以及鐵素體與珠光體的混合基體（fp），如圖5所示。（a） （b） （c）圖5 灰鑄鐵的基體組織（a）鐵素體基體；（b） 珠光體基體；（c）混合基體如出現(xiàn)白口化現(xiàn)象時(shí)，會(huì)存在低溫萊氏體組織。熱處理狀態(tài)下，其基體組織會(huì)形成貝氏體、馬氏體等。 素體基體鐵素體是碳溶解于在fe（體心立方）中形成的固溶體。其特性是塑性與韌性高，但強(qiáng)度和硬度較

7、低。 珠光體基體珠光體是奧氏體的共析反應(yīng)產(chǎn)物，是鐵素體與滲碳體形成的層片狀機(jī)械混合物。其性能表現(xiàn)為強(qiáng)度和硬度有所提高，塑性和韌性下降。 混合基體灰鑄鐵鑄態(tài)下的組織一般都是混合基體，只是鐵素體和珠光體的比例有所不同而已，其力學(xué)性能基本介于鐵素體灰鑄鐵和珠光體灰鑄鐵之間。基體中珠光體數(shù)量和片層薄厚，直接影響著灰鑄鐵的力學(xué)性能。同樣條件下，珠光體數(shù)量多，其強(qiáng)度和硬度越高，耐磨性越好。關(guān)于珠光體數(shù)量多少，可以借助金相顯微鏡，對(duì)照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)圖冊(cè)進(jìn)行評(píng)定。按珠光體在基體中所占面積分?jǐn)?shù)，共分八級(jí)，分別為珠98、珠95、珠9、珠8、珠7、珠6、珠5、珠4。由于珠光體中鐵素體與滲碳體層片的厚薄程度不同，會(huì)出現(xiàn)粗片

8、狀、中等片狀、細(xì)片狀和索氏體組織，但都屬于珠光體類型的組織。三、灰鑄鐵中的共晶團(tuán)鑄鐵在1153附近發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變時(shí)，剩余液相轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體和石墨的共晶組織，稱為共晶團(tuán)（a+g），如圖2-6所示。在隨后發(fā)生共析反應(yīng)時(shí)，奧氏體a則轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和石墨，也有可能部分或全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏wp，形成不同的基體組織，但是石墨仍然為片狀。在灰鑄鐵中，共晶團(tuán)的細(xì)化程度，決定著石墨片的長(zhǎng)度。共晶團(tuán)越細(xì)，單位面積上共晶團(tuán)數(shù)量越多，共晶團(tuán)內(nèi)的石墨分枝就越發(fā)達(dá)，石墨片也越短小，灰鑄鐵的力學(xué)性能也越好。共晶團(tuán)的數(shù)量分為8級(jí)，圖7和8分別是1級(jí)和6級(jí)共晶團(tuán)比較照片（直徑7mm圖片放大1倍或85mm圖片放大5倍），在共晶團(tuán)的邊界上常

9、常分布一些低熔點(diǎn)的偏析和夾雜物。圖6 共晶反應(yīng)時(shí)的共晶團(tuán) 圖7 灰鑄鐵共晶團(tuán)（1級(jí)） 圖8 灰鑄鐵共晶團(tuán)（6級(jí)）四、灰鑄鐵中的自由碳化物當(dāng)鑄鐵中碳、硅量偏低，或存在穩(wěn)定碳化物元素（mo、v、cr等）或壁薄時(shí)，就容易出現(xiàn)碳化物。除了滲碳體（fe3c）外，錳、鉻等元素可溶解到滲碳中，組成合金滲碳體。鉬、鉻、鈦等元素，也可以與碳形成化合物，如tic、moc。通常把鑄鐵組織中的滲碳體、合金滲碳體等統(tǒng)稱為碳化物。而在鐵液結(jié)晶過程中碳形成石墨或是碳化物。碳化物是碳與一種或多種元素間形成的化合物。因碳化物的出現(xiàn)，不僅降低了鑄鐵的力學(xué)性能，而且使切削加工性能惡化。因此，一般鑄鐵中不允許存在自由碳化物。碳化物按

10、其分布形態(tài)可分為針狀、網(wǎng)狀、塊狀和萊氏體狀等，按其在大多數(shù)顯微鏡視場(chǎng)中的百分比分為六級(jí)，即碳1、碳3、碳碳5、碳1、碳15、碳2，檢驗(yàn)時(shí)按照灰鑄鐵金相檢驗(yàn)gb/t 7216-29標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較評(píng)定。五、灰鑄鐵中的磷共晶磷共晶有二元磷共晶（fefe3p，含wp1.2%，wfe88%，熔點(diǎn)15）和三元磷共晶（fefe3p fe3c，含wp89%，wc96%，wfe915%，熔點(diǎn)95），以及二元磷共晶與碳化物的復(fù)合物、三元磷共晶與碳化物的復(fù)合物等四種類型，一般分布在灰鑄鐵的晶界上，有孤島狀、均勻分布、斷續(xù)分布和連續(xù)分布等，如圖9所示。（a） （b）圖9 灰鑄鐵中的磷共晶（a） 二元磷共晶（5） （b）

11、 三元磷共晶（4）二元磷共晶和三元磷共晶都硬而脆，由于存在于晶界，破壞了金屬基體的連續(xù)性，會(huì)降低金屬的力學(xué)性能，尤其是韌性。所以作為結(jié)構(gòu)材料的鑄鐵件，一般應(yīng)控制磷共晶。另一方面，磷共晶構(gòu)成了基體組織中的硬化相，可以顯著提高鑄鐵的減磨性。而三元磷共晶極硬而脆，易碎裂脫落，成為磨料，加劇工件的磨損。所以，在多數(shù)情況下，含磷鑄鐵基體組織要求的是二元磷共晶而不是三元磷共晶。高磷鑄鐵理想的磷共晶結(jié)構(gòu)應(yīng)是斷續(xù)的碎網(wǎng)狀，細(xì)小而均勻。磷共晶的形成，主要受以下因素的影響（1）化學(xué)成分的影響。含磷量超過.6.8時(shí)，鑄鐵中就會(huì)出現(xiàn)二元或三元磷共晶；石墨化元素一般促成二元磷共晶；反石墨化元素一般促成三元磷共晶和磷共晶

12、一碳化物的復(fù)合物。（2）冷卻速度的影響。冷卻速度緩慢，磷共晶粗大，反之，則細(xì)??；緩冷有利于三元磷共晶中共晶滲碳體的分解，故可出現(xiàn)二元磷共晶。（3）澆注溫度的影響。提高鐵液澆注溫度，可使磷共晶減少，且易形成二元磷共晶；反之，則易形成三元磷共晶和磷共晶一碳化物復(fù)合物。在生產(chǎn)實(shí)踐中，當(dāng)鐵液澆注溫度大于134135時(shí)，對(duì)于二元磷共晶生成有利。（4）孕育處理的影響。孕育充分，多次孕育處理能細(xì)化磷共晶，減少三元磷共晶和磷共晶一碳化物的復(fù)合物。（5）適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行熱處理對(duì)磷共晶的形態(tài)數(shù)量也有重要的影響。六、灰鑄鐵的組織要求在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)各牌號(hào)的灰鑄鐵組織要求如見表3。表3 灰鑄鐵的組織要求牌號(hào)灰鑄鐵的組織石墨組織基體組織ht1存在初生石墨，長(zhǎng)度251m，無向分布，含量1215%珠光體37%，粗片狀，鐵素體78%，二元磷共晶體小于7%ht15片狀石墨，長(zhǎng)度125m，無向分布，含量711%珠光體49%，中粗片狀，鐵素體16%，二元磷共晶體小于7%ht289%片狀石墨，12%的晶間石墨，長(zhǎng)度625m，無向分布，含量69%珠光體小于95%，中片狀，鐵素體小于5%，二元磷共晶體小于4%ht258